恒溫室房間溫度id控制

恒溫室房間溫度PID控制研究摘要：某恒溫實驗室的恒溫精度為27±0.2℃，但是由于實驗室的特殊性，恒溫室的內(nèi)外擾量多且某些隨機擾量的大小難于確定，而導致了其恒溫精度很難達到預(yù)期效果。為了解決這個問題，通過建立恒溫室被控對象的數(shù)學模型求出其傳遞函數(shù)，然后采用參數(shù)尋優(yōu)方法確定PID控制器的參數(shù)，最后采用MATLAB仿真的方法，研究恒溫室內(nèi)外擾量對房間溫度的影響。通過研究，可以得出，當設(shè)備散熱干擾量為14.7℃以及送風溫度干擾量為0.1℃，滲透風干擾量不大于0.3℃時，PID控制才能保證恒溫室的恒溫精度。關(guān)鍵字：恒溫室，PID控制滲透風干擾量參數(shù)尋優(yōu)溫度1前言隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各類精密產(chǎn)品的生產(chǎn)制造以及特種科學實驗都要求具有特定的工作環(huán)境，恒溫就成為了不可缺少的條件之一。目前我國常見的恒溫室的恒溫精度為±1℃及±0.5℃，也有±0.1℃。而一些高精度的恒溫室如光學儀器廠的刻線室恒溫精度已達到了±0.0056℃。但是在某些特殊的科學實驗室不僅恒溫精度很高，而且干擾量多如滲透風、設(shè)備散熱、送風溫度波動以及電熱器供電電壓的波動等，且某些干擾量如滲透風其最大值難于確定而沒有采用相應(yīng)的措施控制滲透風擾量，導致了房間溫度的波動過大，結(jié)果使恒溫室的恒溫精度很難達到要求。如何使這些特殊的科學實驗室恒溫精度達到使用要求，也成為了恒溫室的空調(diào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計的一個巨大的難題。由于傳統(tǒng)的PID控制算法，其運算簡單、調(diào)整方便、魯棒性強,在過程控制中,這種控制算法仍占據(jù)相當重要的地位.故目前恒溫室的空調(diào)系統(tǒng)大部分采用PID控制。但PID控制的效果如何,在很大程度上是取決于控制器參數(shù)的正確整定。為此,人們提出了各種不同的參數(shù)整定方法,如誤差積分最小、固定衰減比、極點配置等方法.這些方法主要是用經(jīng)典控制理論中的一些設(shè)計方法或者依靠現(xiàn)場試驗方法來進行PID控制器參數(shù)的計算與整定.顯然,這就要求操作人員具有較高的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗.而且,被控對象模型參數(shù)難以確定以及系統(tǒng)性能穩(wěn)定性較差,則需頻繁地進行參數(shù)整定,這必將影響系統(tǒng)的正常運行。對于這些特殊的空調(diào)房間溫度的控制，由于被控對象具有較大的慣性和遲延，且受各種因素變化的影響，因此對象的傳遞函數(shù)具有非線性和時變特性，采用傳統(tǒng)的PID控制難于取得較好的控制效果。本文采用單純形法尋優(yōu)PID參數(shù)，然后采用MATLAB仿真確定滲透風干擾量的最大值，PID控制才能保證恒溫室的恒溫精度。2工程概況恒溫室建筑面積625m2,層高2.8m,總送風量27500m3/h,送風溫度13.5℃，房間設(shè)計溫度27±0.2℃，設(shè)備散熱量135KW，恒溫室建筑墻體、地板采用絕熱材料，滲透風來自外部房間其設(shè)計溫度26±1℃。3恒溫室空調(diào)過程建模3.1恒溫室空調(diào)系統(tǒng)被控對象的數(shù)學模型要對一個恒溫室空調(diào)系統(tǒng)被控對象進行控制，須為其建立一個合適的數(shù)學模型。使用數(shù)學語言對實際對象進行一些必要的簡化和假設(shè)：（1）由于該恒溫室建筑墻體、地板采用絕熱材料，故室內(nèi)外墻體和地板熱量傳遞忽略不計。（2）恒溫室頂棚由蓋板組成，存在縫隙，考慮有一定的滲透風，其他地方如門窗的滲透風忽略不計。假如不考慮執(zhí)行機構(gòu)的慣性和室溫調(diào)節(jié)對象的傳遞滯后，根據(jù)能量守恒定律，單位時間內(nèi)進入對象的能量減去單位時間內(nèi)由對象流出的能量等于對象內(nèi)能量蓄存量的變化率，表達式和圖1如下所示：圖1室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學表達式為：式中：Chrr——恒溫室的熱容（KJ/℃）；C——空氣的比熱（KJ/kg﹒℃）；GS——送風量（kg/h）；山θ雕0梯＇亭—尖—浸電加熱器前的慨送風溫度脊（埋℃狼）；碧θ搭1咬—噸—帽室內(nèi)空氣溫度筋，回風溫度予（腹℃躬）；際Q珠E桂—朵—柔電加熱器的熱煮量討（呈KJ/旱h麥）；注Q仿m執(zhí)—踐—方設(shè)備散熱量手（呆KJ/拐h姐）；蛋Q定I顧騾—擺—蓄滲透風帶入的翠熱量僅（環(huán)KJ/那h刷）；山由填式征Q職I晝＝飼G醉I繪(峽θ序It碎-牽θ昏1箭)路c漢it蹦（貍2爭）酷式中郵：尿G階I新—移—雨滲透風量布（由kg/捧h也）；份θ邁It擇—喊—芝滲透風空氣溫短度舟（耽℃筆）；畏c朵It備—濤—帖滲透風空氣的槳比熱慢（朽KJ/k詞g悟﹒泊℃仔）。遞把式?。ㄗ?舊）代入式放（樣1們），整理得謀式中役：當T京1嫁—被—鞋調(diào)節(jié)對象的時孝間常數(shù)仗（斑h繳）兔,來T內(nèi)1餡=提鐮C養(yǎng)hrr擋東/纏（誦G澆I葉c炕it撐+G逼S開C犧）榴蘿（還5咐）；磚K到1項—揀—抬調(diào)節(jié)對象的放交大系懼數(shù)理,食K尖1閉=貢茶G駁S足c秤/努（計G裂I懇c鬧it醫(yī)+G等S疲c貧）搶（步6切）；委θ炭E?！坞娂訜崞鞯恼{(diào)哥節(jié)獄量拜,掩換算成送風溫餅度的變化克（憐℃拿）暮，塵貓θ娘E辯=Q拆E鞏/G馳S身C岔伙（奉7窩）；式θ抽f謝—識—灰干擾量換算成加送風溫度的變象化垮（織℃翁），；哄θ修f史‘腰—滲—協(xié)送風溫度干擾擴量舌（鏈℃秘），套θ習f局‘罩＝摔θ勾0夾“豎路（芝9督）喬θ冒If棉—欠—員滲透風的干擾傻量信（粘℃烤），還θ楊I(lǐng)f柳=Q在I蟲/G川S脈C花別（血1轎0沃）；塊θ允Mf翅—燕—盈設(shè)備散熱量的信干擾量蒸（戲℃咱），特θ它Mf票=Q鋸M辰/G流S擊C糊前（遲1突1誠）。艦由式德（系4污）拉普拉斯變棗換，得（12）婆如果考慮被控趨對象傳遞滯后僅，則恒溫室空臟調(diào)過程的傳遞縣函數(shù)為：（13）恒3.2似尚感溫元件和執(zhí)棕行調(diào)節(jié)機構(gòu)的謝傳遞函數(shù)迅感溫元件采用葉熱電阻，根據(jù)菠熱平衡原理，脹其熱量平衡方唐程式：(14)吹式中：碧C果2拴—作—領(lǐng)熱電阻的熱容賴（鳳KJ督/遮℃怕）；遮θ津2格—己—畢熱電阻溫度胳（樸℃續(xù)）；尸q總2喉—旨—獎單位時間內(nèi)空襲氣傳給熱電阻展的熱量相（也KJ/黎h臉）；幕α勒2污—戴—濾室內(nèi)空氣與熱鳥電阻表面之間塊的換熱系數(shù)抹（泳KJ/m孫2截·h傾·宅℃魂）；旺F騎2緣—憶—施熱電阻的表面木積悉（燙m田2倆）；榜θ柱1險—斬—腎室內(nèi)空氣溫度防，回風溫度昨（府℃束）。襲由式餡（駐1扮4尖）拉普拉斯變予換，可得感溫引元件的傳遞函畫數(shù)：(15)瓦同樣執(zhí)行調(diào)節(jié)掛機構(gòu)的傳遞函詠數(shù)：(16)多3.3曬抬恒溫室特性參握數(shù)及其他參數(shù)渠的確定慣恒溫室特性即睬房間的特性，幼用傳遞滯精后喂τ難、時間常身數(shù)駕T干1黎和放大系上數(shù)惹K甚1蓄這三個參數(shù)來值表示。補（牢1持）時間常賽數(shù)春T喂1到和放大系肚數(shù)叛K轟1嘩由式乓[5]建(13)絹粗，跌η辯=4待[5]孝,G探I據(jù)=G拜S真×3喇%皺，通過式突（罩5留），式心（舍6嘉）計算可以得堆到汁，缸T竟1云=1遣8功分研，乘K夠1澤=0.97梅1脾。涂（虛2翅）傳遞滯近后闖τ煤由經(jīng)驗公式允[5]賠τ漸/T慰1鳴=0.07裙5(15縣)住，通過計算則夸得乎τ引=1.3痕5址分承（旺3鑰）由參考文獻望[5]滔的附擇表劫6-豪1背，可以得到感圣溫元件的時間脫常數(shù)和不靈敏戲區(qū)撐為扔T隊3燦=5且0禾秒鎮(zhèn)，備2仆ε彩=紀0.0呈5俗℃害。利電加熱器的比低例系家數(shù)酬K隊2嫩=壁△侮θ美/債△漆N=0.00為009,T久2劣=5的0括秒?？?鵝辨單純形法尋優(yōu)瓶方法維控制系統(tǒng)參數(shù)績最優(yōu)化是指對捕被控對象已知游、控制器的結(jié)鄙構(gòu)和形式已確系定，需要調(diào)整鼓或?qū)ふ铱刂葡叼I統(tǒng)的某些參數(shù)涼使整個控制系詞統(tǒng)在某一性能迅指標下最佳。城單純形法的思呀想很簡予單耗,進池若要求一個函墳數(shù)的最大蓋點踩(棋或最小未點敬),乓獅則可先計算若章干點處的函數(shù)蟲值克,況球進行比嬸較我,厲膛并根據(jù)它們的免大小關(guān)系確定唉函數(shù)的變化趨計勢作為搜索的逼參考方投向揮,冠拴然后按參考方斬向搜索直到找藝到最小舊值傅(己或最大曬值遲)摸禍為止。土在三維空間內(nèi)須取不同一平面?zhèn)z的四個點構(gòu)成鑒單純晌形陵(踐四面嫂體肅),緣澇如皺圖歪3暴匪所示。這圖蕩2術(shù)都三維空間的單卡純形質(zhì)這四個置點冰X0桿扒、皺X1王剪、就X常2音、認X3賠謝對應(yīng)的函數(shù)值房為局F皺0欄、庫F貴1捐、街F彎2廟、踐F3軌,栽比較可看出最舒大鳴者拳(病設(shè)舉F3蒼美最跟大特)炎,卻則對應(yīng)秘點濫X3旗(佛記魄為甚XH)藝茶作為差駐點弊,涼由此可以推測桿好點在差鳴點沙X服H娛的對稱潤點釘XR鑰晉處的可能性最棟大掩,澆然后計踏算萬XR謀豈處的函數(shù)神值胞FR,兩綠若尺有澆F鷹R淘≥課max{F豈0,F芬1右，土F2},籃釘說明懲從務(wù)X惹H釣前進的步長太盲大殖,X叫R竟并不一定緒比效X課H歉好孝,固頑因此可以壓縮叫步長秒在露X繭H干與啦X崗R馬之間找一誠點桌X嬸S龍為新冒點泥,寶然廉后舌X0,F1,獎F通2長中最大者說明外情況有所改仆善保,謀哭但前進和步長誘可能還不扯夠鉤,椅還可以加大步映長朽得寄X懲H至與絡(luò)X旁R顏延長線上的一乓點適XE膀,幕若階X焦E概對應(yīng)的函則數(shù)兔F皺E橫小吵于錄FR此玉則薯以亦XE躍益作為新頁點摩,鉛并種以漿X民0抓、求X1要摧、面X2討呼構(gòu)成新的單純請形。最后比較武構(gòu)成新的單純社形的各點處的蓮函數(shù)拳值抓,銷職若其中最大者皺和最小者之間偶的相對差小于撫預(yù)先給定的仁數(shù)緞E,曉露則說明最小值累已經(jīng)找逗到案,悶郵否則繼續(xù)重復顆上述步驟直到妖找到止。燭5編拼恒溫室控制系協(xié)統(tǒng)仿真止整個室溫自動諷調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括蘭調(diào)節(jié)對象（空烈調(diào)房間），調(diào)舌節(jié)器、感溫元倍件以柏及菊PI必D竭控制器。根據(jù)臟參數(shù)計算結(jié)果浮，最后得到恒評溫室恒溫控制虎系統(tǒng)如循圖鑒3笛所示。蜓圖候3奧精恒溫室恒溫控習制系統(tǒng)仿真框朵圖假?吩恒溫室實驗設(shè)祥備散熱量相當診穩(wěn)定，由式波（生1殼1定）計算可得，豐設(shè)備散熱量干吧擾煌量犁θ尊Mf飯＝泳14.廁7接℃平是穩(wěn)定的擾量疾。而送風溫度摔干擾量主要包丸括電加熱器供耕電電壓的波動勿和換熱器冷凍偶水溫度的波動揭以及管道溫升腿等引起的送風炒溫度的變化，脈其值為選0.慮1組℃遭。滲透風干擾程量是隨機擾量線，其隨著恒溫巨室外面的房間擋溫度的變化和趙滲透風風量的脊變化而變化，孝它是影響恒溫盞室的房間溫度丙最重要的因數(shù)熄?；耶敐B透風擾蛛量鳳θ盼If品不大于青0.沙3東℃熱時，恒溫室房衣間溫度波動小鄉(xiāng)于匆0.晃2屠℃互，滿足恒溫室外的恒溫精度要飄求。但是當滲早透風擾膀量優(yōu)θ鍛If麗為起0.包4行℃芝時，恒溫室房喜間溫度波動大拒于穿0.柴2弱℃預(yù)，超出允許的奔波動范圍講。姑6結(jié)論僵通過以上的仿捕真和分析，可番以得出：訴恒溫實驗室的楚恒溫精度清為糊27±礎(chǔ)0.蘭2饑℃煮，但是由于實倉驗室的特殊性梅，恒溫室的內(nèi)煩外擾量多，只南有當設(shè)備散熱鼻干擾量為輕14.馬7秒℃浸以及送風溫度男干擾量為夏0.屑1抓℃振，滲透風干擾壟量不大于希0.優(yōu)3刊℃秒時棉，掩PI踐D說控制才能保證常恒溫實驗室的逃恒溫精度，達陽到使用的要喉求仗炒。參考文獻為1烏腸王翠枝華古,摧忍戴玉龍，變頻拍中央空調(diào)房間桿溫度的智能控耍制，山東理工桂大學學咳報場(批自然科學喬版護)橋，賞Vol.18儉志（屋1漠）吹：滋76-80芬2鷹駐吳